TPSM8683x：高效同步降壓電源模塊的深度剖析與應(yīng)用指南

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源模塊的性能直接影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天我們要深入探討的是德州儀器（TI）的TPSM8683x系列，這是一款4.5V至28V輸入、8A同步降壓電源模塊，包括TPSM86837和TPSM86838兩款產(chǎn)品，它們在工業(yè)、醫(yī)療、自動化等眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。

文件下載：tpsm86837.pdf

一、產(chǎn)品特性亮點

寬輸入輸出范圍

TPSM8683x具備4.5V至28V的輸入電壓范圍，輸出電壓范圍為0.6V至5.5V，能夠適應(yīng)多種不同的電源總線應(yīng)用，如12V、19V和24V電源總線系統(tǒng)。

高輸出能力

可提供高達8A的連續(xù)輸出電流，滿足大多數(shù)負載的功率需求。

集成化設(shè)計

集成了MOSFET、電感和基本無源元件，大大減小了設(shè)計尺寸，簡化了電路設(shè)計過程。

精準控制與快速響應(yīng)

采用D - CAP3?控制模式，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的瞬態(tài)響應(yīng)，同時具有良好的線路和負載調(diào)節(jié)能力，無需外部補償。

不同模式選擇

TPSM86838采用FCCM模式，在輕載和重載條件下都能保持準固定的開關(guān)頻率，降低輸出紋波；TPSM86837采用Eco - mode，在輕載時能實現(xiàn)高效率，降低功耗。

豐富保護功能

具備非鎖存的欠壓（UV）、過壓（OV）、過流（OC）、過溫（OT）和欠壓鎖定（UVLO）保護功能，同時還有電源良好（PG）指示燈，可實時監(jiān)測輸出電壓狀態(tài)。

可調(diào)節(jié)與可配置

軟啟動時間可通過SS電容進行調(diào)節(jié)，開關(guān)頻率可選800kHz和1200kHz，還內(nèi)置了輸出放電功能。

封裝與溫度特性

采用19引腳5.0mm×5.5mm QFN HotRod?封裝，工作結(jié)溫范圍為 - 40°C至 + 150°C，適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

二、引腳配置與功能詳解

引腳分布

TPSM8683x采用19引腳B3QFN RCG封裝，各引腳都有著特定的功能。例如，VOUT引腳用于輸出電壓，連接到內(nèi)部降壓電感和輸出負載；MODE引腳用于切換開關(guān)頻率，可通過連接電阻到AGND來設(shè)置；EN引腳為使能輸入控制，可控制模塊的開啟和關(guān)閉。

關(guān)鍵引腳功能

• FB引腳：作為反饋輸入，通過連接反饋電阻分壓器的中點來精確調(diào)節(jié)輸出電壓。
• PG引腳：是開漏輸出的電源良好監(jiān)測引腳，當輸出電壓超出閾值范圍時，該引腳會拉低，可用于電源軌排序和故障報告。
• SS引腳：用于設(shè)置軟啟動時間，通過連接外部電容到AGND來實現(xiàn)。

三、規(guī)格參數(shù)解讀

絕對最大額定值

了解絕對最大額定值對于確保器件安全至關(guān)重要。例如，輸入電壓的最大額定值為32V，超出此范圍可能會導致器件永久性損壞。在實際設(shè)計中，必須嚴格確保輸入電壓在規(guī)定范圍內(nèi)。

ESD 額定值

該器件的人體模型（HBM）靜電放電額定值為±2000V，帶電設(shè)備模型（CDM）為±500V。在處理和安裝過程中，需要采取適當?shù)姆漓o電措施，以防止靜電對器件造成損壞。

推薦工作條件

推薦的輸入電壓范圍為4.5V至28V，工作結(jié)溫范圍為 - 40°C至150°C。在這些條件下工作，器件能夠發(fā)揮最佳性能，同時保證可靠性和穩(wěn)定性。

熱特性

熱阻等熱特性參數(shù)對于評估器件的散熱性能非常重要。例如，TPSM8683x的有效結(jié)到環(huán)境熱阻（Eff RθJA）為24°C/W，結(jié)到環(huán)境熱阻（RθJA）為36°C/W。在設(shè)計散熱方案時，需要根據(jù)這些參數(shù)來確保器件在正常工作溫度范圍內(nèi)。

電氣特性

包括靜態(tài)電流、欠壓鎖定閾值、使能閾值、反饋電壓、電流限制等參數(shù)。這些參數(shù)直接影響著器件的性能和工作狀態(tài)。例如，TPSM86838在工作時的靜態(tài)電流典型值為350μA，而TPSM86837為45μA，這體現(xiàn)了兩款產(chǎn)品在不同模式下的功耗差異。

四、詳細工作原理與特性分析

自適應(yīng)導通時間控制與PWM操作

TPSM8683x的主控制回路采用自適應(yīng)導通時間脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制器，結(jié)合D - CAP3控制模式。該模式將自適應(yīng)導通時間控制與內(nèi)部補償電路相結(jié)合，即使輸出紋波幾乎為零也能保持穩(wěn)定，無需外部電流檢測網(wǎng)絡(luò)或環(huán)路補償。

模式選擇

通過MODE引腳可以配置開關(guān)頻率，可選擇800kHz或1200kHz。在啟動時，器件會讀取MODE引腳的電壓并鎖定該設(shè)置，直到VIN或EN引腳進行電源循環(huán)才會重新設(shè)置。

軟啟動與預(yù)偏置軟啟動

軟啟動時間可通過連接在SS和AGND之間的電容進行調(diào)節(jié)。當EN引腳變?yōu)楦唠娖綍r，軟啟動充電電流開始對電容充電。如果外部電容在啟動時有預(yù)存儲電壓，器件會先將其放電再充電，以防止啟動時的浪涌電流。如果輸出電容在啟動時已預(yù)偏置，器件會在內(nèi)部參考電壓大于反饋電壓時才開始切換和升壓。

使能與欠壓鎖定調(diào)節(jié)

EN引腳用于控制器件的開啟和關(guān)閉，當EN引腳電壓超過閾值時，器件開始工作；低于閾值時，進入待機狀態(tài)。EN引腳還可以用于調(diào)節(jié)VIN的欠壓鎖定閾值，通過連接外部電阻可以實現(xiàn)更高的UVLO閾值設(shè)置。

輸出過流限制與欠壓保護

采用逐周期的低側(cè)MOSFET谷值電流檢測和高側(cè)MOSFET峰值電流檢測來實現(xiàn)過流保護。當負載電流超過設(shè)定的限制值時，過流保護觸發(fā)，輸出電壓可能會下降。當輸出電壓低于目標電壓的65%時，欠壓保護動作，器件會在經(jīng)過一定的去毛刺等待時間后關(guān)閉，并在打嗝時間后重新啟動。

過壓保護

當輸出電壓高于目標電壓的125%時，過壓保護觸發(fā)，輸出會在經(jīng)過32us的去毛刺時間后放電，同時高低側(cè)MOSFET驅(qū)動關(guān)閉。當過壓條件消除后，輸出電壓恢復(fù)正常。

UVLO保護

欠壓鎖定保護會監(jiān)測內(nèi)部調(diào)節(jié)器電壓，當電壓低于UVLO閾值時，器件會關(guān)閉，該保護為非鎖存型。

熱關(guān)斷

內(nèi)部溫度傳感器會監(jiān)測器件的結(jié)溫，當結(jié)溫超過165°C（典型值）時，器件進入熱關(guān)斷狀態(tài)，高低側(cè)功率FET關(guān)閉，放電路徑打開。當溫度下降到低于滯后值（典型值為30°C）時，器件會從軟啟動開始恢復(fù)正常工作。

輸出電壓放電

TPSM8683x內(nèi)置了輸出電壓放電功能，通過一個集成的200Ω (R_{DS(on)}) MOSFET連接到輸出端SW。當器件因UV、OV、OT或EN關(guān)閉等條件關(guān)閉時，放電路徑打開。

電源良好指示

PG引腳是一個開漏輸出的電源良好指示引腳，可用于多軌啟動排序。當FB引腳電壓在內(nèi)部參考電壓的90%至110%之間，且經(jīng)過64μs的去毛刺時間后，PG引腳變?yōu)楦咦杩範顟B(tài)；當FB引腳電壓低于85%或高于115%，或出現(xiàn)熱關(guān)斷、EN關(guān)閉、UVLO等情況時，PG引腳會在32μs的去毛刺時間后被拉低。

大占空比操作

該器件能夠支持高達98%的占空比操作，通過平滑降低開關(guān)頻率來實現(xiàn)大占空比，同時改善負載瞬態(tài)性能。

五、應(yīng)用與設(shè)計要點

典型應(yīng)用電路

以一個將4.5V至28V輸入轉(zhuǎn)換為1.8V輸出、最大輸出電流為8A的典型應(yīng)用為例，詳細介紹了電路設(shè)計過程。

設(shè)計參數(shù)選擇

• 輸出電壓電阻選擇：通過電阻分壓器來設(shè)置輸出電壓，建議使用1%公差或更好的電阻?？筛鶕?jù)公式 (V_{OUT }=0.6 × left( 1+frac {R7}{R8}right)) 進行計算。
• 輸出濾波器選擇：輸出濾波器采用LC濾波器，其雙極點頻率為 (f{p}=frac{1}{2 pi × sqrt{L{OUT} × C{OUT }}})。需要選擇合適的電感和電容，使雙極點位于高頻零點以下，以確保電路具有足夠的相位裕度。同時，可使用公式 (I{CO(RMS)}=frac{V{OUT } timesleft(V{IN }-V{OUT }right)}{sqrt{12} × V{IN } × L_{OUT } × Fsw }) 來確定輸出電容所需的RMS電流額定值。
• 輸入電容選擇：TPSM8683x需要輸入去耦電容，根據(jù)應(yīng)用情況可能還需要一個大容量電容。建議至少使用兩個10μF的陶瓷電容作為去耦電容，電容的電壓額定值必須大于最大輸入電壓?？墒褂霉?(Delta V{IN}=frac{I{OUTMAX } × 0.25}{C{IN} × Fsw}) 計算輸入電壓紋波，使用公式 (I{CIN(RMS)}=I{OUT } × sqrt{frac{V{OUT }}{V{IN (MIN)}} × frac{V{IN (MIN)}-V{OUT }}{V{IN (MIN)}}}) 計算輸入紋波電流。

  電源建議

  輸入電源電壓應(yīng)在4.5V至28V范圍內(nèi)，且輸入電壓必須高于輸出電壓。如果輸入電源距離電路較遠，建議增加額外的輸入大容量電容。同時，需要考慮熱設(shè)計，根據(jù)效率和EVM有效熱阻來計算功率損耗和溫度上升，確保器件在合適的環(huán)境溫度下工作。

  布局要點

• PCB層數(shù)與銅厚：建議使用四層PCB，銅厚為兩盎司，以提高熱性能，并使用最大的接地平面。
• 電容放置：輸入和輸出電容應(yīng)盡可能靠近相應(yīng)的引腳，采用對稱布局以減少電磁干擾（EMI）。
• 反饋路徑：FB引腳的反饋電阻應(yīng)靠近FB引腳，以減少輸出電壓反饋路徑的噪聲敏感性。
• 散熱設(shè)計：提供足夠的PCB面積用于散熱，使用散熱過孔將封裝的暴露焊盤（PGND）連接到PCB接地平面。

六、總結(jié)與思考

TPSM8683x系列電源模塊憑借其寬輸入輸出范圍、高集成度、豐富的保護功能和可調(diào)節(jié)特性，為電子工程師提供了一個高效、可靠的電源解決方案。在實際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的設(shè)計要求，合理選擇器件的工作模式、配置引腳參數(shù)，并注意PCB布局和散熱設(shè)計等方面。同時，我們也可以思考如何進一步優(yōu)化電路設(shè)計，提高系統(tǒng)的整體性能和穩(wěn)定性。比如，在不同的負載條件下，如何更好地平衡開關(guān)頻率和效率；在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，如何進一步降低EMI干擾等。這些都是我們在實際設(shè)計中需要不斷探索和解決的問題。

希望通過本文的介紹，能幫助電子工程師們更好地了解和應(yīng)用TPSM8683x系列電源模塊，在實際項目中發(fā)揮其最大的優(yōu)勢。